POWER UNIT: una elettronica da urlo!

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Con i test di Jerez è stato dato il via alla nuova stagione
di Formula 1
, la seconda dopo i grandi cambiamenti regolamentari intervenuti
con la cosi soprannominata “era dell’ibrido”. Cambiamenti cosi radicali da
costringere i tecnici persino a cambiare nome ai propulsori: Power Unit. Unità
di potenza, perché di questo si tratta.
Non più “semplici” motori endotermici aspirati o
sovralimentati ma veri e propri gioielli a tecnologia ibrida
endotermica-elettrica.
Sei sono i componenti principali di cui sono composti questi
propulsori:
  •       Motore a Combustione Interna (MCI o ICE)
  •       Turbocompressore
  •       MGU-H
    : Motor Generator Unit – Heat
  •       MGU-K
    : Motor Generator Unit – Kynetic
  •       Batterie
  •      Elettronica di controllo e gestione
Fatto salvo che sia già chiaro il principio di funzionamento
di un motore sovralimentato, si riporta uno schema molto semplificativo di
quelli che sono i flussi di energia e potenza tra componente elettrica e
componente termica di questi propulsori approdati in F1.


Motore a combustione interna
Il motore termico che le scuderie utilizzeranno nel 2015
sarà un evoluzione del propulsore della 
passata stagione. Il compatto 1600 cm3
dal peso di circa 150 kg , 6 cilindri, turbocompresso è in
grado di erogare una potenza di circa 600 CV.
Varie sono le soluzioni adottate dalle scuderie per quanto
riguarda i parametri di lavoro del motore termico, cosi come differenti sono le
soluzioni scelte sul sistema di aspirazione con cornetti di aspirazione mobili
(Renault, Honda, Mercedes) o fisse (Ferrari, per ora) e la scelta del layout
dei componenti delle stesse P.U.

MGU-H
Motor Generator Unit – Heat: questo è il nome che è stato
affidato al componente rigenerativo presente sul sistema turbocompressore. Nome
improprio a dirla tutta, dato che Heat (calore ) sembrerebbe indicare che il
sistema sia in grado di lavorare recuperando calore dai gas di scarico. Di
fatto cosi non è, dato che, ingegneristicamente, quando si parla di recupero
termico si intende tutt’altro principio fisico, ovvero il recovery di potenza
termica sottratta al sistema e messa a disposizione di una seconda utenza.
Ciò che viene recuperata è l’energia cinetica presente nei
gas di scarico.
Come noto, il turbocompressore è un accoppiamento di due
macchine termiche, operanti coassialmente, il cui compito è quello di riuscire
ad aumentare la pressione dell’aria comburente immessa nel motore sfruttando il
potenziale cinetico dei gas combusti. Quest’ultimi dopo aver azionato la
turbina, che a sua volta permette la movimentazione del compressore, escono dal
condotto di scarico portando con se una quota di energia cinetica e di
pressione ancora presente nei gas esausti.

L’MGU-H, montata sull’albero delle giranti di turbina e
compressore, agisce da carico sull’albero del gruppo di sovralimentazione recuperando
quell’energia cinetica altrimenti dispersa. Il recupero interviene perché parte
di questa energia serve per mettere e mantenere in rotazione i rotori del
motore elettrico dell’ MGU-H che gravano quindi sull’albero del sistema di
sovralimentazione.
Di per se il principio di funzionamento è molto semplice,
seppur i componenti siano estremamente complessi: mettendo in movimentazione
relativa rotore e statore di un generatore elettrico si è in grado di erogare corrente.
I sistemi MGU (sia H che K) sono in grado di lavorare sia
in assorbimento che in cessione di energia elettrica. Ciò vuol dire che si
comportano da generatori di corrente (cessione), comportandosi da carico nelle
fasi di rilascio e decelerazione della vettura e da motori elettrici (assorbimento)
nelle fasi di accelerazione e spinta.
Parlando dell’MGU-H, in particolar modo, si comporta da
generatore nella fase di rilascio e viene utilizzata da motore nella fase di
accelerazione per compensare l’effetto turbolag del gruppo turbina-compressore ai
regimi di rotazione inferiori.
MGU-K
Motor Generator Unit – Kynetic: è il secondo componente
elettrico della parte ibrida ERS (energy recovery system) derivato dalla
tecnologia già utilizzata dal 2009 con il KERS.

Il principio di funzionamento resta il medesimo: il
componente si comporta da generatore elettrico nelle fasi di
decelerazione/frenata e da motore elettrico nelle fasi di accelerazione e
spinta.
Nella fase di frenata la potenza meccanica disponibile all’albero
motore viene utilizzata per mettere e mantenere in rotazione i rotori
dell’MGU-K, che si comporta quindi da carico per il motore termico. Il “quanto”
sia “frenante” questo carico del componente Kynetic viene stabilito dal sistema
BrakeByWire, con il quale si regola l’intensità di carico resistente che la
MGU-K applica sul motore termico.
Nella fase di spinta e accelerazione si può utilizzare il
sistema Kynetic come motore e fornire dunque potenza aggiuntiva a quella già
fornita dalla componente termica.
Sia la MGU-H che la MGU-K sono motori a magneti permanenti
brushless a flusso radiale, raffreddati a liquido. Per il raffreddamento sono state
testate 2 possibili soluzioni: la prima che prevede l’utilizzo della stessa
acqua di raffreddamento del motore anche per le componenti elettriche e la
seconda che prevede l’implementazione di un circuito di raffreddamento dedicato
alle parti MGU.
La prima soluzione consente di avere un solo circuito ( ma
non necessariamente lo stesso radiatore ) per l’acqua di raffreddamento del
motore termico e dei motori elettrici, con il vantaggio di non dover creare un
circuito secondario dedicato a cui andrebbe associato uno scambiatore di calore;
con lo svantaggio di dover far lavorare i componenti elettrici con acqua di
raffreddamento nell’intorno dei 100°C.
Un circuito dedicato potrebbe consentire un più efficiente
raffreddamento delle componenti elettriche migliorando di conseguenza il
rendimento delle stesse. Si renderebbe però necessaria la creazione della
circuitazione dedicata del refrigerante.

Batterie
Le batterie che consentono l’accumulo e il prelievo
dell’energia elettrica sono sistemi a ioni di litio da circa 20-25 kg di massa.
Anche questi componenti vengono raffreddati con liquido a
circa 100°C, temperature superiori causerebbero cali di efficienza di scambio
e accumulo elettrico.
È importante sottolineare come queste batterie, come del
resto quelle tradizionali, lavorino con corrente continua. Questo ci consente
di capire e spiegare uno dei principali ruoli che svolge la parte elettronica
di controllo…

Elettronica di controllo e gestione
Fondamentale ma complessa, molto complessa.
Oltre alla tradizionale elettronica per il controllo del
motore termico, con l’avvento di questi gioielli ibridi si è reso necessario
sviluppare anche hardware e software in grado di gestire i due componenti
elettrici MGU sia nelle fasi di rigenerazione ( fase in cui recuperano energia
cinetica generando energia elettrica) che in fase di generazione (fase in cui
si comportano da motori).
Da dove nasce il problema? Sia la MGU-H che la MGU-K nella
fase di rigenerazione producono corrente alternata trifase mentre le batterie,
come detto poco fa, lavorano in corrente continua monofase.
Identico problema si pone nella fase di generazione, dove la
batteria può fornire energia elettrica con corrente monofase continua e i
motori devono lavorare assorbendo corrente trifase alternata.
Anche in questo caso, seppur l’implementazione di tale
elettronica è particolarmente complessa, il principio di funzionamento resta
semplice : un inverter.
Un inverter altro non è che un componente elettronico in
grado di convertire corrente continua in alternata o viceversa. Nel caso
particolare delle P.U. si può parlare di “Co-Inverter” o inverter
bidirezionale.


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Come spiegato in precedenza, i flussi di corrente nei sistemi
MGU non sono univoci ma doppi. Per tale motivo, nelle fasi di
decelerazione/frenata, l’elettronica dedicata deve essere in grado di
“raddrizzare” la corrente elettrica trifase alternata generata dalle MGU e
trasformarla in corrente continua monofase (la trasformazione in monofase di
solito avviene sfruttando un “ponte” elettrico ad alto voltaggio) per lo
stoccaggio in batteria.


Mentre nelle fasi di
accelerazione, la componente elettronica deve essere in grado di convertire la
corrente elettrica monofase continua prelevata dal sistema di accumulo, in
corrente alternata trifase che può dunque essere assorbita dai componenti MGU.

Tutte queste “trasformazioni” di corrente elettrica
avvengono a voltaggi e amperaggi elevati che devono necessariamente esser
tenuti sotto controllo, anche dal punto di vista termico.
Un’altra problematica che l’elettronica deve risolvere è
associata alla variabilità del carico elettrico generato dai sistemi MGU. Prima
si è voluto spiegare in modo semplificato ciò che succede nelle fasi di
generazione ed assorbimento elettrico e la funzione di inverter
dell’elettronica senza che sia mai stata contemplata la variabilità del carico
stesso.
Allo scopo di spiegazione semplificativa, si analizza ora il
comportamento in generazione elettrica, quindi con le MGU che lavorano in fase
rigenerativa.
Un dato MGU avente rotore con N coppie polari erogherà una
corrente con frequenza, voltaggio e amperaggio dipendenti dal numero di giri
del rotore stesso.
È ovvio immaginare che durante la fase di decelerazione/frenata
(fase rigenerativa per le MGU) il numero di giri del motore termico, per quel
che riguarda la MGU-K, e dell’alberino del gruppo turbina-compressore, per
quanto riguarda la MGU-H, sia variabile e in questo caso decrescente. Ne
consegue che anche la corrente elettrica prodotta da entrambe i sistemi di
recupero abbia frequenza, voltaggio e amperaggio variabile.
Ciò indica che l’elettronica dedicata alla gestione di
questo flusso di corrente debba essere in grado di ricevere corrente con questo
grado di variabilità e restituire corrente continua monofase e stabile alle batterie, qualsiasi sia
il numero di giri del sistema MGU.
Il funzionamento si complica ulteriormente quando l’energia
elettrica prodotta dalla MGU-H viene destinata, dato che il regolamento
consente una produzione illimitata di energia elettrica da tale componente, ad
alimentare direttamente il componente MGU-K.
La complicazione sta nel fatto che l’elettronica deve
gestire tutte le variabili di corrente trifase alternata prodotte dalla MGU-H
durante la variazione del proprio numero di giri e riversare tale energia al secondo
sistema ibrido Kynetic rispettando a sua volta le caratteristiche di carico
variabile del secondo MGU.
Tale problematica può essere affrontata utilizzato una logica
a “doppio inverter” da parte dell’elettronica.

Lo schema mostra come l’energia elettrica trifase alternata
a parametri variabili (in funzione del numero di giri) prodotta dalla MGU-H
venga gestita dal primo inverter e trasformata in corrente continua monofase ad
alto voltaggio. La medesima corrente monofase prodotta dal primo blocco ad
“inverter elettronico” viene presa in gestione da un secondo blocco elettronico
che ritrasforma tale corrente in trifase alternata al grado di carico idoneo
per l’unità MGU-K.
In tal modo la componente “H” può essere utilizzata per
garantire surplus di potenza extra alla componente “K”  oltre a quei 2 MJ/giro previsti dal
regolamento.
Ciò lascerebbe anche credere che la componente MGU-H
venga utilizzata in modalità rigenerativa, potendo dunque fornire direttamente
energia al Kynetic, anche nelle fasi di accelerazione e spinta; lavorando anche 
in questo caso come “carico” sull’alberino del gruppo
turbocompressore e svolgendo dunque anche la funzione di “limitatore di
pressione” controllando il numero di giri del sistema di sovralimentazione.

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